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红旗河工程的难点

已有 2450 次阅读 2019-2-13 14:31 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记| 调水, 流速, 输水量, 工程

红旗河工程的难点

红旗河工程课题组利用遥感、GPS等技术实现了线路规划,但是这个工程要实现规划则必须进行现场考察和测量,进行现地规划,这样才能够逐渐接近现实,完成可行性研究报告和总体规划。线路规划只是第一步,可行性研究报告是第二步,总体规划是第三步,具体设计是第四步。目前阶段只是第一步完成,以后的工作量还很大。

尽管完成了第一步路线规划,但是就是这条路线依然遭到了很多质疑,这种质疑是在肯定的基础上的否定,总体来说这条路线还是很合理的。但是不排除质疑问题的存在,因此对于红旗河设想的正确态度是帮助课题组修改和完善方案。

现在,我们来跟踪以下红旗河的线路:

红旗河的起点在雅鲁藏布江的主干道的大拐弯附近,从河流来看,这个起点在雅鲁藏布江、帕隆藏布江、易贡藏布江这三条河流的交汇点附近。从山脉来看,北面和东面被巨大的念青唐古拉山环形包围,西面被喜马拉雅山脉的东支所包围。念青唐古拉山和喜马拉雅山脉的特点就是山峰海拔很高,落差很大,高峰海拔普遍高于6000米,但是河谷的海拔往往低于3000米,河谷狭窄,落差巨大,河水湍急,没有平缓豁口。这给调水工程带来了巨大的困难,要向东部调水,必须穿过念青唐古拉山。以念青唐古拉山为轴线,山脉内侧是帕隆藏布江、易贡藏布江和尼洋河,山脉的外侧则是怒江,怒江一直沿着念青唐古拉山外侧流淌,延伸到了拉萨北部的纳木错以东。但是怒江的河谷海拔要比雅鲁藏布江河谷的海拔高一个数量级,因此要从雅鲁藏布江引水到怒江不能选择最短路径,不能直接向北开凿,而只能向着怒江河床海拔低于雅鲁藏布江河床的方向——大拐弯的东南方向开凿隧洞,而且要从地下穿越念青唐古拉山。

现在的问题是从雅鲁藏布江到怒江的隧洞开口应该在哪里?按照红旗河课题组的遥感规划,开口位置在雅鲁藏布江、帕隆藏布江、易贡藏布江这三条河流的交汇点附近(29°5225″,95°0718″,1571),这里当然有好处,水量丰富,它能够把雅鲁藏布江主干道的水引入隧洞。但是只要看看谷歌地图上三十个卫星定位的高程就会明白,这个地方的海拔只有1571米,比自流要求海拔低600多米,无法实现引水自流,要自流必须把引水点向高处移动,向北方移动。而帕隆藏布江、易贡藏布江的交汇点(30°0545″,95°0349″,2027)则非常符合海拔要求,但是此处引水无法引到雅鲁藏布江主干道的水。为此,我设计了一条变通路线,从派镇东北的雅鲁藏布江主干道上(29°4452″,94°5619″,2750)向正北打通一个30公里长的隧洞,到达鲁朗镇(29°5656″,94°4756″,2554)以东附近,在此处修建水库储水,然后沿着河北岸修建渠道或者隧洞到达帕隆藏布江、易贡藏布江的交汇点。这样一来,主干道的水就能够引入隧洞,引水量大增。达帕隆藏布江、易贡藏布江的交汇点的海拔只有2027米,这个和陇西高原上的出水口高程基本相当,依然不能实现自流,因此,必须在帕隆藏布江、易贡藏布江的交汇点(30°0545″,95°0349″,2027)修建一个高度大约250米的水库,提高入水口的海拔到达2250米左右。(以上内容是为了弥补红旗河在雅鲁藏布江一段的自流缺陷而设计的补充工程,我自己以为设计还是合理巧妙的,通过向北穿山可以把主干道的水调过来)。

红旗河的整个工程的着眼点是把水引入陇西高原,从陇西高原自流到西北其它地区。从陇西高原向西北其它地区有海拔优势,陇西高原的高点在19001950米一线,这个制高点是祖励河和洮河和渭河三条河流共同的发源地。所以,当引水工程到达陇西高原以后,可以利用原有的水系引水,所以引水的目的地是渭源县、临洮县和定西市,从渭源县出口,可以把水引到渭河上游,从临洮县出口可以把水引到兰州以南洮河流域各个县,从定西市出口可以把水引到祖励河流域大片区域。这三个出口的海拔都在1950米左右,因此红旗河的出口控制海拔是1950米,要求从雅鲁藏布江到陇西的海拔全部高于1950米,而且从开口到出口的落差在250米以上,也就是说雅鲁藏布江入口的海拔应该在1950+250=2200米以上。沿线的海拔也都在2000——200米之间。这个海拔要求是沿线高山河河流的最低海拔,只有是最低海拔,水才能够自流;如果低于这个海拔,则水会从更低处流走,不会进入引水渠道。

用这个海拔要求勘查红旗河的线路。我们发现红旗河需要经过这样几个地区:雅鲁藏布江大拐弯,念青唐古拉山,横断山区北部,迪庆藏族自治州,凉山彝族自治州,川西高原,岷山山区,甘南地区和陇西高原。跨越的河流有:怒江、澜沧江、金沙江上游、理塘河、雅砻江、大渡河、岷江,白龙江。其中大渡河、岷江的海拔都在1700米以下,所以红旗河必须绕过大渡河和岷江,从大渡河和岷江的西岸,其支流上开凿基本和大渡河和岷江平行的高海拔河床才能够通过,而且大渡河以西不远就是大雪山,红旗河在大雪山和大渡河之间的狭窄缝隙中向北开凿,通过一个星型河流交汇点—丹巴县(30°5247″,101°5253″,1904),从丹巴县绕向东,沿着小金川河流过小金县,绕到岷江西岸,从岷江西岸开凿一条渠道和岷江平行,一直到茂县(31°4117″,103°5038″,1602),从茂县向北,沿着岷山东侧到达甘南地区,从岷山和秦岭的交错地带进入陇西高原的出水口。红旗河在岷山和秦岭交界的白龙江一段需要绕大大的一段,比较曲折,白龙江是嘉陵江的支流,如果绕不好,引水就流入到了嘉陵江。

从整个路线来看,红旗河通过横断山区一段大约500公里相对容易,虽然这一段横跨了多个山脉,例如伯舒拉岭、他念他翁山、芒康山、宁静山、木拉山、太阳山、大凉山、锦屏山等山脉,但是横断山区的特点是河流从西北向南,山脉走向也是从西北向南,河流纵切规整,只需要打隧洞横穿过去就可以。所以最困难的是通过川西高原一段,这一段落差很大,从4000多米很快下降到了1000米以下,而有两个河床海拔不符合要求的河流横挡在中间,其中大渡河是南北方向,它的西面紧挨着是大雪山,红旗河必须绕过锦屏山向北,沿着大渡河和大雪山之间的窄缝隙,向北大约200公里,达到丹巴县以后才能向东走,穿过邛崃山(qionglai)到达岷江西岸,又从岷江西岸,基本和岷江平行地再半山坡开凿一条人工河,长度达到了300多公里,从茂县穿过岷江到达白龙江流域,从九寨沟东部向北穿过西秦岭到达目的地。所以,穿过大渡河、岷江和白龙江是最困难的。由于大渡河穿过了雪山,山大沟深落差大,所以这一段非常险要,是地质灾害的危险区;由于岷江长山坡陡河床低,岷江一段不得不修建一个半坡上的地上河,这种河容易发生冻融河泄漏,工程难度很大;由于白龙江的海拔较低,所以必须绕来绕去。总之,川西高原一带是工程的最难点,而且这个地带可以规划的宽度很窄,雪山紧挨河流。这一段需要明渠、暗渠、隧洞、渡槽、水库、拦水坝、倒虹吸等等多种水工措施同时使用,难度很大。但是,由于大渡河、岷江和白龙江是山大沟深,人烟稀少,河流下切严重的地区,一旦发生漏水事故,水会流到大渡河和岷江中,一般不会造成重大人员和财产损失事件。

由于工程艰难,所以我个人认为将来的红旗渠的输水量每年不会超过300亿立方。为此,我们利用谢才公式做出一个计算。

  

谢才公式为


根据谢才公式,我们求出红旗河工程中水流的平均流速。假设水力半径R可以是分别为23456米(则隧洞半径是其二倍),糙率系数统一使用0.03或者0.025,坡降是1800公里下降250米,大约是0.000139,或者1800公里下降400米,大约是0.000222。代入公式,得到流速为:0.62米每秒,0.82米每秒,0.99米每秒,1.15米每秒。从计算可以知道,隧洞的直径越大,水流速度越大。不管水渠的形状大小如何,只要在一个引水系统中,水量一样,因此隧洞过水量可以代表调水量,那么在半径是4米的隧洞年调水量为10.34亿立方,而半径是10米的隧洞年调水量为119亿立方,相差11.8倍。此外,糙率系数对于流水速度的影响也较大,糙率系数从0.03下降为0.025,在坡降不变的情况下,输水量增加20%。而坡降对于输水量的影响比较小,在糙率系数不变的情况下,1800公里之内的高差从250增加到400以后,4米半径隧洞输水量增加25%以上,隧洞直径越大增加比例越大,10米半径隧洞输水量增加26.4%,所以增加坡度有利于输水量的增加,但是其潜力是有限的。从表格可以看出,真正增加输水量需要从糙率和湿周(水力半径)两个方面下功夫,一个是减小隧洞或者明渠的糙率,一个是增加水渠的断面。当然,谢才公式是一个经验公式,随着渠道湿周的增加误差增加,但是用于概略地计算调水工程的输水量是足够了。

糙率

水力半径R

系数C=R0.16666*1/N

坡降J

SQRT(RJ)

V=C*SQRT(RJ)

4*3.14*R*R

年径流量

0.03

2

37.42

0.00013889

0.01667

0.62

50.24

10.34

0.03

3

40.03

0.00013889

0.02041

0.82

113.04

30.48

0.03

4

42.00

0.00013889

0.02357

0.99

200.96

65.65

0.03

5

43.59

0.00013889

0.02635

1.15

314.00

119.02

0.03

6

44.93

0.00013889

0.02887

1.30

452.16

193.55

0.025

2

44.90

0.00013889

0.01667

0.75

50.24

12.41

0.025

3

48.04

0.00013889

0.02041

0.98

113.04

36.58

0.025

4

50.40

0.00013889

0.02357

1.19

200.96

78.78

0.025

5

52.31

0.00013889

0.02635

1.38

314.00

142.83

0.025

6

53.92

0.00013889

0.02887

1.56

452.16

232.26

0.025

2

44.90

0.00022222

0.02108

0.95

50.24

15.69

0.025

3

48.04

0.00022222

0.02582

1.24

113.04

46.27

0.025

4

50.40

0.00022222

0.02981

1.50

200.96

99.64

0.025

5

52.31

0.00022222

0.03333

1.74

314.00

180.67

0.025

6

53.92

0.00022222

0.03651

1.97

452.16

293.78

0.025

2

44.90

0.00017200

0.01855

0.83

50.24

13.81

0.025

3

48.04

0.00017200

0.02272

1.09

113.04

40.71

0.025

4

50.40

0.00017200

0.02623

1.32

200.96

87.66

0.025

5

52.31

0.00017200

0.02933

1.53

314.00

158.95

0.025

6

53.92

0.00017200

0.03212

1.73

452.16

258.46

0.025

7

55.32

0.00017200

0.03470

1.92

615.44

389.87

0.025

8

56.57

0.00017200

0.03709

2.10

803.84

556.63

0.025

9

57.69

0.00017200

0.03934

2.27

1017.36

762.03

0.025

10

58.71

0.00017200

0.04147

2.43

1256.00

1009.24

从以上表格可以看出,单个隧洞的直径越大,输水量越大,其效果是多个小直径隧洞输水量的数倍,因此在工程修建中应该以大直径隧洞为主,尽量减少隧洞数量,根据现有技术,开凿最大直径的隧洞比较有利于工程成功,其占地面积小,一次投资少。另外,根据现有技术,红旗河工程的年输水量的最大值为287亿立方,也就是说,要向西北方向年输送600亿立方以上的水量,单单一个红旗河是不够的。也许需要两个红旗河,或者使用其它工程结合起来,例如700多公里长的藏青隧洞,藏青隧洞在0.025的糙率下,水力半径R分别为234567米的输水量分别是13.8140.7187.66158.95258.46389.87亿立方。从以上的数据可以看出,在现有技术条件下,隧洞的半径选择910米比较合理。当然,如果不使用盾构机,而是使用钻爆法,那么开凿直径为20米以上的隧洞也不是没有可能,但是隧洞直径越大,其稳定性肯定越差。如果把红旗河和藏青隧洞结合起来,其输水量每年可以超过500亿立方,基本满足调水要求。如果只有红旗河工程,那么需要的水渠宽度和深度都很大,其技术难度和将来的维护成本会很大。

从以上计算可以看出,使用“小口径多隧洞”方案是不够科学合理的。尽量避免使用多个小口径隧洞引水,不但占用地方大,而且工程费用大,维护成本高,唯一的好处是技术比较简单,稳定性好。

从以上的计算还可以看出,无论隧洞直径多大,坡降多大,隧洞中的水流速度都在0.6米——2米之间,很难加速到2米以上。而流速是输水量的一个关键因素。所以,要加速水流必须使用另外的办法,例如使用贯流泵。

总的来说,红旗河工程目前还是纸上谈兵的阶段,并没有进入实地勘查和规划的阶段。而在这个阶段的讨论中,我们知道不是一个红旗河就能够实现全部调水目标的。红旗河最困难的是穿越大渡河和岷江一段,这段长度大约800公里。而进入陇西高原以后工程难度大大降低,可以利用天然河道输水。

 




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